一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法，包括气源、空气干燥过滤减压器、备用安全电磁阀、CO2过滤器、干燥过滤器、质量流量控制器、采集控制器、水质传感器、排气阀组。通过pH和溶氧传感器实时监测海水pH和溶氧值，采用双增量式PID控制的方式，调控空气、N2、CO2的曝气比例，以调节海水pH和溶氧水平至设定值并保持稳态。本发明专利技术可以实时监测并调整气源配比，同步控制海水的pH和溶氧含量，具有稳态精度高、动态响应好、调整时间短等优点，且在有海洋生物呼吸干扰的条件下仍可保持较高的精度。

Marine acidification and hypoxia simulation device and control method thereof

The invention relates to a marine acidification and hypoxia simulation device and its control method, including gas source, air drying filter pressure reducer, standby safe solenoid valve, CO2 filter, drying filter, mass flow controller, acquisition controller, water quality sensor, and exhaust valve group. The value of pH and dissolved oxygen in seawater was monitored by pH and dissolved oxygen sensor. The aeration ratio of air, N2 and CO2 was regulated by double increment PID control in order to adjust the level of seawater pH and dissolved oxygen to the set value and keep the steady state. The invention can monitor and adjust the gas source ratio in real time and synchronously control the pH and dissolved oxygen content of sea water. It has the advantages of high steady state precision, good dynamic response and short adjustment time, and it can still keep high precision under the condition of marine biological respiration interference.

【技术实现步骤摘要】
一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法
本专利技术涉及海洋环境模拟领域，具体地说是一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法。
技术介绍
全球气候变化及近岸富营养化等人类活动的加剧，导致海洋酸化和低氧等现象往往同时发生。此类现象在我国近海环境中屡有报道，对海洋生物和海洋生态环境安全带来了巨大威胁。目前，多数研究采用单独酸化或低氧的方式开展相关胁迫实验，关于酸化和低氧协同影响的研究亟需开展。因此，研发能够精确模拟海洋酸化和低氧的装置可为开展可控模拟实验，探讨海洋酸化和低氧对生态系统的影响具有重要的意义。国内外现有的海洋酸化和低氧的模拟方法，主要有：1)经验控制法：对海水水体进行CO2、N2的单独曝气或联合曝气，待海水pH和溶氧稳定后，放入海洋生物进行实验；此种装置根据经验预先设定好了CO2、N2的曝气量，在海洋生物呼吸干扰下，溶氧和pH极不稳定；此种方法使用范围受限，实验结果难以重复。2)电磁阀控制法：通过检测海水中pH和溶氧，使用电磁阀控制CO2和N2的通入，以达到设置的pH和溶氧。此种方法仅能简单控制气体的通入与否，而不能调整气体的配比，因此曝气不稳定，曝气量及曝气周期变化明显，不能进行精确控制。此外，气体的通入时有时无，对海洋生物行为产生影响，进而影响研究结果的准确性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种海洋酸化和低氧模拟装置及其控制方法，通过实时监测海水溶氧和pH并采用双增量式PID控制算法，进行水体溶氧和pH精确同步调节。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种海洋酸化和低氧模拟装置，空气气源通过空气通路后接入到空气质量流量控制器6的输入端，空气质量流量控制器6的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的空气与氮气、二氧化碳气体混合；经过减压后的氮气通入到氮气质量流量控制器7的输入端，氮气质量流量控制器7的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的氮气与空气、二氧化碳气体混合；经过减压后的二氧化碳气体通入到二氧化碳质量流量控制器8的输入端，二氧化碳质量流量控制器8的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的二氧化碳气体与空气、氮气混合；排气电磁阀12连通曝气阀组13，控制混合后的气体通入曝气阀组13，曝气阀组13与曝气环14连通，使气体通过曝气环14对水体进行曝气；采集控制器9连接溶氧测量传感器10和pH测量传感器11，采集溶解氧信息和pH值信息；采集控制器9连接空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7、二氧化碳质量流量控制器8、空气通路和排气电磁阀12，对其发送控制信号，并同时采集空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7和二氧化碳质量流量控制器8的反馈信号，检测装置工作状态。所述空气通路包括空气干燥过滤减压器1通过电磁阀3连接到干燥过滤器5的输入端，空气气源通过空气干燥过滤减压器1进行干燥及颗粒过滤，并对压力进行调整后将气体通过电磁阀3后进入干燥过滤器5。还包括在电磁阀3和干燥过滤器5之间设置二氧化碳过滤管4，电磁阀3控制输出的空气通过二氧化碳过滤管4滤除二氧化碳后再通入干燥过滤器5。所述空气干燥过滤减压器1通过备用安全电磁阀2连接曝气环14，采集控制器9连接备用安全电磁阀2，当系统上电后未按设定目标进行控制或出现故障时，控制备用安全电磁阀2打开，向水体曝空气。所述曝气阀组13包括一组溶解氧传感器和pH测量传感器插入1个水体中，该水体通过蠕动泵15串联若干个水体，每个水体中插入一路曝气环14。所述若干个水体为1～6个水体。一种海洋酸化和低氧模拟控制方法，包括以下步骤：步骤1：通过采集控制器9读取当前溶氧目标值，并与溶氧测量传感器10采集的溶氧实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经主控PID算法，得到空气理论比例；步骤2：通过采集控制器9读取当前pH目标值，并与pH测量传感器11采集的pH实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经辅助PID控制算法，得到二氧化碳气体的理论流量；步骤3：采集控制器9根据得到的空气、二氧化碳、氮气的理论流量，分别控制空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7和二氧化碳质量流量控制器8的输出流量；步骤4：采集空气、二氧化碳、氮气的实际流量，如果实际流量与输出流量相符，则返回步骤1，否则停止自动控制，打开备用安全电磁阀2，并发出报警信息。所述主控PID算法采用增量式PID控制算法包括以下步骤：步骤1：计算空气流量比例理论变化量：其中，[ΔAIR％]为当前控制周期内空气流量比例的变化量；KP、KI、KD分别为空气流量比例算子、空气流量积分算子、空气流量微分算子；doerrn为当前n时刻溶氧误差，doerrn-1为n-1时刻溶氧误差、doerrn-2为n-2时刻溶氧误差；步骤2：计算空气流量占总气体流量的比例：[AIR％]n＝[AIR％]n-1+[ΔAIR％]；其中，[AIR％]n为当前n时刻空气流量比例，式中[AIR％]n-1为n-1时刻空气流量比例；步骤3：计算空气质量流量控制器的输出流量：[AIR]n＝[all]×[AIR％]n；其中，[AIR]n为当前n时刻空气的流量，[all]为总气体流量。所述辅助PID控制算法采用增量式PID控制算法包括包括以下步骤：步骤1：计算二氧化碳气体流量理论变化量其中，[ΔCO2]为当前二氧化碳的流量理论变化量，KPf、KIf、KDf分别为二氧化碳气体流量比例算子、二氧化碳气体流量积分算子、二氧化碳气体流量微分算子；pherrn为当前n时刻pH误差，pherrn-1为n-1时刻pH误差、pherrn-2为n-2时刻pH误差；步骤2：计算二氧化碳的理论流量：[CO2]n＝[CO2]n-1+[ΔCO2]；其中，[CO2]n-1为n-1时刻CO2气体的流量；[CO2]n为当前n时刻CO2气体的流量；步骤3：计算二氧化碳质量流量控制器的输出流量：[MFC_CO2]n＝[CO2]n-[AIR]n×0.03％；其中，[MFC_CO2]为二氧化碳气体质量流量控制器应输出流量。步骤4：计算氮气质量流量器应输出流量：[N2]n＝[all]×(1-[AIR％]n)-[CO2]n+[AIR]n×0.03％；其中，[N2]n为氮气质量流量器应输出流量，[AIR]n为当前n时刻空气的流量，[AIR％]n为当前n时刻空气流量比例。所述空气理论比例为：空气占总气体流量的比例，总气体流量是空气、氮气及二氧化碳气体流量之和；所述二氧化碳气体的理论流量为：二氧化碳气体的理论流量是所需的CO2总流量，是CO2气源及空气中CO2成分之和。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术的基于PID的海洋酸化和低氧模拟装置，采用双增量式PID控制算法，可以根据pH和溶氧的实测值与用户设定值的差异，实时确定合适的曝气比例；相比较采用电磁阀开关的调节方式，PID算法不仅调节速度快，而且pH和溶氧稳态的保持效果，远胜于电磁阀调控方式；2.本专利技术的基于PID的海洋酸化和低氧模拟装置及其控制算法，气体总流量可调，便于对不同温度和体积的海水进行pH和溶氧的同步调整，且pH和溶氧可以任意设定，克服了调整pH及溶氧相互影响的缺点；3.本专利技术的基于PID的海洋酸化和低氧模拟装置及其控制算法，在有海洋生物呼吸干扰的水体中，仍能实现pH和溶氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：空气气源通过空气通路后接入到空气质量流量控制器6的输入端，空气质量流量控制器6的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的空气与氮气、二氧化碳气体混合；经过减压后的氮气通入到氮气质量流量控制器7的输入端，氮气质量流量控制器7的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的氮气与空气、二氧化碳气体混合；经过减压后的二氧化碳气体通入到二氧化碳质量流量控制器8的输入端，二氧化碳质量流量控制器8的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的二氧化碳气体与空气、氮气混合；排气电磁阀12连通曝气阀组13，控制混合后的气体通入曝气阀组13，曝气阀组13与曝气环14连通，使气体通过曝气环14对水体进行曝气；采集控制器9连接溶氧测量传感器10和pH测量传感器11，采集溶解氧信息和pH值信息；采集控制器9连接空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7、二氧化碳质量流量控制器8、空气通路和排气电磁阀12，对其发送控制信号，并同时采集空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7和二氧化碳质量流量控制器8的反馈信号，检测装置工作状态。

【技术特征摘要】
1.一种海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：空气气源通过空气通路后接入到空气质量流量控制器6的输入端，空气质量流量控制器6的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的空气与氮气、二氧化碳气体混合；经过减压后的氮气通入到氮气质量流量控制器7的输入端，氮气质量流量控制器7的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的氮气与空气、二氧化碳气体混合；经过减压后的二氧化碳气体通入到二氧化碳质量流量控制器8的输入端，二氧化碳质量流量控制器8的输出端连接到排气电磁阀12，将流量控制后的二氧化碳气体与空气、氮气混合；排气电磁阀12连通曝气阀组13，控制混合后的气体通入曝气阀组13，曝气阀组13与曝气环14连通，使气体通过曝气环14对水体进行曝气；采集控制器9连接溶氧测量传感器10和pH测量传感器11，采集溶解氧信息和pH值信息；采集控制器9连接空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7、二氧化碳质量流量控制器8、空气通路和排气电磁阀12，对其发送控制信号，并同时采集空气质量流量控制器6、氮气质量流量控制器7和二氧化碳质量流量控制器8的反馈信号，检测装置工作状态。2.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：所述空气通路包括空气干燥过滤减压器1通过电磁阀3连接到干燥过滤器5的输入端，空气气源通过空气干燥过滤减压器1进行干燥及颗粒过滤，并对压力进行调整后将气体通过电磁阀3后进入干燥过滤器5。3.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：还包括在电磁阀3和干燥过滤器5之间设置二氧化碳过滤管4，电磁阀3控制输出的空气通过二氧化碳过滤管4滤除二氧化碳后再通入干燥过滤器5。4.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：所述空气干燥过滤减压器1通过备用安全电磁阀2连接曝气环14，采集控制器9连接备用安全电磁阀2，当系统上电后未按设定目标进行控制或出现故障时，控制备用安全电磁阀2打开，向水体曝空气。5.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：所述曝气阀组13包括一组溶解氧传感器和pH测量传感器插入1个水体中，该水体通过蠕动泵15串联若干个水体，每个水体中插入一路曝气环14。6.根据权利要求1所述的海洋酸化和低氧模拟装置，其特征在于：所述若干个水体为1～6个水体。7.根据权利要求1～6所述装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过采集控制器9读取当前溶氧目标值，并与溶氧测量传感器10采集的溶氧实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经主控PID算法，得到空气理论比例；步骤2：通过采集控制器9读取当前pH目标值，并与pH测量传感器11采集的pH实测值进行比较，计算出误差，并根据控制周期内的误差变化量，经辅助PI...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉，赵建民，王清，
申请(专利权)人：中国科学院烟台海岸带研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37